改性纳米包覆矿物纤维在涂布白纸板面浆加填中的应用

周锐，陈港

（1.佛山华丰纸业有限公司，广东佛山528000；2.华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室，广东广州510640）

改性纳米包覆矿物纤维在涂布白纸板面浆加填中的应用

周锐1，陈港2

（1.佛山华丰纸业有限公司，广东佛山528000；2.华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室，广东广州510640）

采用PCC与改性纳米包覆矿物纤维相结合的加填方式，能有效地提高加填量，改善原纸白度和面层遮盖力，面浆克重也有了更大的下降空间，从而有效地降低了生产成本。

改性纳米包覆矿物纤维；轻质碳酸钙；涂布白纸板；面浆加填

在涂布白纸板生产中，面浆加填是一种能增加原纸平滑度、提高面层遮盖力和降低生产成本的有效技术手段。加填的目的在于：（1）在保证产品质量的前提下，通过加填降低面浆纤维耗用量，达到降低生产成本的目的；（2）提高面层的不透明度和遮盖能力，提高原纸的白度与平滑度，改善产品的外观；（3）由于提高了面浆遮盖能力，为进一步降低涂布量、降低涂布成本提供了空间。

目前常用的填料主要有轻质碳酸钙（简称轻钙，PCC）、重质碳酸钙（GCC）、高岭土、滑石粉和矿物纤维等。同其他填料相比，PCC具有白度高、遮盖力强和磨耗低等优点，但PCC加填也会造成面浆纤维结合强度降低。同滑石粉、PCC等填料相比，在对面浆强度影响方面，改性纳米包覆矿物纤维具有独到的优势。

改性纳米包覆矿物纤维是采用现代高科技技术，将自然产出的纤维状硅灰石矿经纤维化超细粉碎、表面复合改性后制备的新材料。它不同于植物纤维，也不同于传统填料——碳酸钙、滑石粉；矿物纤维在纸张中不仅仅是简单的填料，由于其15∶1～10∶1长径比的特殊晶形，加上对其表面进行复合改性纳米包覆处理，使得矿物纤维能够与植物纤维交织在一起，构成了新型的植物纤维——矿物纤维网状结构，在一定程度上能减轻加填所造成的对纸张强度的负面影响，因而可替代部分植物短纤维。在我公司涂布白纸板的生产中，希望通过对面浆加填矿物纤维填料后，能够提高面浆加填量，达到降低成本，提高不透明度，提高面层遮盖力，降低面浆用量，尽量保持原纸面层结合强度的目的。

根据实际情况，我们对面浆加填工艺进行了研究。实践证明：采用了PCC与改性纳米包覆矿物纤维相结合的加填方式，能有效地提高原纸白度和面层遮盖力，产品质量（特别是在遮盖性能方面）取得明显提高，面浆克重也有了更大的下降空间，从而有效地降低了生产成本。

1 实验部分

1.1 原料与试剂

1.1.1 改性纳米包覆矿物纤维

改性纳米包覆矿物纤维主要成分为硅酸钙（见图1和图2），化学式CaSiO3；其物理特性指标为：白度，≥84%；长径比，15∶1～10∶1；纤维长度，0.08～0.20mm；水分，≤1.5%；10%质量分数；pH≥8.5。

图1 硅灰石矿石

图2 HJMF改性纳米包覆矿物纤维电镜图

1.1.2 改性纳米包覆矿物纤维与PCC性能对比

PCC来自日本某公司生产牌号为TP-121的产品，改性纳米包覆矿物纤维（HJMF-PA）来自江西某公司的1250目产品。2种填料的物理性能指标见表1。

表1 2种填料的性能指标

1.1.3 其他原料

纤维原料：面浆（LBKP）来自100%广西贺县桉木浆；AKD，PAM，阳离子淀粉。

1.2 实验步骤

配制4%质量分数的浆料，分别按表2所列不同的加填量来添加填料（预先配制成20%质量分数的溶液），混合3 min；加1%质量分数的阳离子淀粉，添加量为14 kg/t（绝干浆），混合3 min；加AKD施胶剂（用量10 kg/t），混合3 min；稀释至0.4%浆浓，混合3 min；加PAM助留助滤剂，用量0.02%，混合30 s；抄纸（纸张定量32 g/m2），每个品种抄8片。

表2 实验室抄片不同填料的配比（%绝干浆）

1.3 纸样测试

按国家规定的标准测试方法检测抄片纸的定量、紧度、填料留着率、抗张强度、裂断长、白度与不透明度等性能指标。纸板遮盖性的测量方法如图3所示。

把待测的纸样放于黑色标准纸样上，用ISO白度仪来测试白度，用所测试的白度值来表征纸样的遮盖性。

图3 纸板遮盖性测试示意图

2 结果与讨论

纸样性能指标检测结果见表3。

2.1 遮盖性与不透明度对比分析

由表3中的遮盖性和不透明度数据可知，由于PCC白度高，比表面积大，所以遮盖性好；当PCC加填量为12%时，遮盖性提高了8.3个百分点。而矿物纤维对纸页遮盖性的提高效果较PCC低，在相同的添加量下，遮盖性仅提高了0.7个百分点。

PCC+矿物纤维的加填组合对遮盖性的作用也较为明显，基本等同于单独添加相同用量PCC时的遮盖性能。

表3 实验室抄片的性能指标

2.2 抗张强度与裂断长的对比

从表3中的抗张强度与裂断长数据可知，在单独添加一种填料的情况下，PCC加填对纸张的抗张强度和裂断长影响较大，当PCC加填量为12%时，抗张强度下降26.3%，裂断长降低27.0%；而矿物纤维在同样的添加量下仅分别减少9.0%和10.5%。

继续增大加填量，当PCC加填量为16%时，抗张强度下降33.1%，裂断长降低33.8%；这说明PCC加填会对面浆纤维结合强度带来较大负面影响，且PCC加填量越大，面浆纤维结合强度降低越明显。

PCC+矿物纤维的加填组合对抗张强度、裂断长的影响比单纯添加相同用量PCC时要改善的多，可以看出矿物纤维在填料组合中所起到的作用。

3 生产实践

根据以上实验室研究结果，我们在公司2号机上进行了对PCC+矿物纤维加填的生产应用试验，目的是提高面层遮盖力，降低面浆用量，降低生产成本。

2号机技术参数：4 300 mm三长网涂布白纸板机，生产车速为300 m/min。

采用PCC+矿物纤维（按照4∶1质量比例混合）加填新工艺，取代原PCC加填，生产定量为300 g/m2涂布白纸板，期间取原纸样按国家规定的标准方法测试成纸的性能指标，填料保留率根据公式计算：

式中：C为加填后的灰分值，g；Y为未加填的灰分值，g；D为加填量，%。

填料灼烧损失忽略不计，如计算在内，则保留率会略微高些。成纸质量指标如表4所示。

表4 添加矿物纤维前后成纸相关质量指标

从表4的上机应用效果可知，采用w（PCC+矿物纤维）=8%取代w（PCC）=6%加填，原纸面层白度略为提高，面层灰分明显增加，原纸PPS表面粗糙度等变化不大，施胶度略有变化，但均在正常范围内；原纸面层蜡值、耐折度、横向挺度基本变化不大。

由于白水封闭循环，填料总保留率提高到70%左右。

在面浆添加w（PCC+矿物纤维）=8%，即提高了面层遮盖力，又进一步降低了面浆消耗量，降低了生产成本，经济效益显著。

4 结论

PCC本身具有较高的白度，同时又有较高的折射率，因而加填于纸张中能明显提高成纸的不透明度和遮盖性能；但是，加入纸浆中的PCC粒子在成形过程中填充于纤维间，减少了纤维与纤维之间的接触面，妨碍纤维间氢键的结合，致使纤维结合强度下降，表现在抗张强度、裂断长等指标明显降低。而矿物纤维粒径比较大，其15∶1～10∶1长径比的特殊晶形，加上对其表面进行复合改性处理，使得矿物纤维能够与植物纤维交织在一起，构成了新型的植物纤维——矿物纤维网状结构，所以对纤维结合强度的影响比较小。图4为HJMF改性纳米包覆矿物纤维与植物纤维交织耦合显微图片。

图4 HJMF改性纳米包覆矿物纤维与植物纤维交织耦合显微图片

显然，要想在尽量满足面浆结合强度性能指标的前提下使加填量达到最大，最佳的途径是对PCC与矿物纤维进行优化组合，发挥各自的优势特长，做到既能提高面层白度、遮盖性与不透明度，同时又尽量减少对面浆结合强度的影响，寻求到一个最佳平衡点。

Application of Surface-coated Mineral Fiber in Filling of Toplayer of White Coated Paperboard

ZHOU Rui1，CHEN Gang2
（1.Foshan Huafeng Paper Co.，Ltd.，Foshan 528000，China；2.State Key Lab of Pulp and Paper Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China）

Filler content could be efficiently increased by filling PCC together with surface-coated mineral filler.At same time，the whiteness and opacity of the toplayer was improved.As a result，the basis weight of the toplayer might be reduced largely，resulting in reduced produce cost.

surface-coated mineral fiber；PCC；white coated paperboard；filling of toplayer

book=4,ebook=94

TS727.1

A 文献标识码：1007-2225（2010）02-0019-04

周锐先生（1972-），造纸工艺高级工程师；长期从事涂布白纸板生产工艺和涂布配方技术的研究与应用；E-mail：hf_zhourui@163.com。

2009-11-15（修回）

本文文献格式：周锐,陈港.改性纳米包覆矿物纤维在涂布白纸板面浆加填中的应用[J].造纸化学品，2010，22（2）：19-22.